FizikaNemoguceg

MicioKaku-112Može li se putovati brže od svetlosti?

U nekoliko nastavaka objavljujemo poglavlje "Brže od svetlosti" iz knjige Fizika nemogućeg, jednog od vodećih fizičara današnjice, Mičio Kakua.


 

< | 1 | 2 | 3 | 4 | >

11 - BRŽE OD SVETLOSTI

Crvotočine i crne rupe

Pored rastezanja prostora, drugi mogući način da se pređe svetlosna barijera jeste paranje prostora putem crvotočina, prolaza koji spajaju dva svemira. Crvotočine u beletristici prvi put pominje oksfordski matematičar Čarls Dodžson, koji je napisao knjigu S one strane ogledala (Through the Looking Glass) pod pseudonimom Luis Kerol. Alisino ogledalo je crvotočina koja spaja oksfordski kraj s magičnim svetom Zemlje čuda. Kada gurne ruku kroz ogledalo, Alisa se u trenu prenese iz jednog sveta u drugi. Matematičari takve prostore nazivaju višestruko povezani.

Koncept crvotočina u fizici datira još iz 1916, godinu dana pošto je Ajnštajn objavio svoju epsku opštu teoriju relativnosti. Fizičar Karl Švarcšild, tada u Kajzerovoj vojsci, tačno je rešio Ajnštajnove jednačine za slučaj tačkaste zvezde. Iako uopšte nije zvezda, njeno gravitaciono polje je slično gravitacionom polju obične zvezde, i Ajnštajn je, zapravo, upotrebio Švarcšildovo rešenje da izračuna savijanje svetlosti oko zvezde. Švarcšildovo rešenje odmah temeljno uticalo na astronomiju, i jedno je od najpoznatijih rešenja Ajnštajnovih jednačina. Generacijama su fizičari uzimali gravitaciono polje oko ove tačkaste zvezde kao aproksimaciju polja oko prave zvezde s konačnim prečnikom.

Ali ako se ovo tačkasto rešenje uzme za ozbiljno, onda iz njegovog središta vreba monstruozni tačkasti objekat koji šokira i zadivljuje fizičare gotovo čitav vek – crna rupa. Švarcšildovo rešenje za gravitaciju

tačkaste zvezde bilo je poput Trojanskog konja. Spolja je izgledalo kao dar s neba, dok je unutra sve vrvelo od demona i duhova svih vrsta. Ali ako ste prihvatili jedno, morali ste da prihvatite i ovo drugo. Švarcšildovo rešenje je pokazalo: kako se približavate tačkastoj zvezdi, počinju čudna zbivanja. Zvezdu je okruživala nevidljiva sfera zvana horizont događaja – to je tačka posle koje nema povratka. Tu granicu sve može slobodno da pređe, ali ne može se vratiti. Kada pređete horizont događaja, nema natrag. (Morali biste da se krećete brže od svetlosti da biste pobegli u spoljnu stranu horizonta događaja, a to je nemoguće.)

Kako se približavate horizontu događaja, sile plime rastežu vaše atome. Gravitacija koju osećaju vaša stopala mnogo je veća od gravitacije koju oseća vaša glava, pa bivate rastegnuti kao špageta, a potom i rastrgnuti. Slično tome, atomi vašeg tela bili bi rastegnuti i pokidani usled gravitacije.

Spoljnom posmatraču činilo bi se da vaše vreme sve sporije teče kako se približavate horizontu događaja. Zapravo, kada dođete do horizonta događaja, činilo bi se da je vreme stalo!

Povrh toga, kad pređete horizont događaja, vidite uhvaćenu svetlost koja kruži oko ove crne rupe već milijardama godina. Činilo bi vam se kao da gledate film koji detaljno prikazuje čitavu istoriju crne rupe počev od samih njenih početaka. I, na kraju, ako biste uspeli da propadnete kroz crnu rupu, na drugom kraju čekao bi vas drugi svemir. To se zove Ajnštajn-Rozenov most; Ajnštajn je predstavio taj fenomen 1935. godine. Sada se naziva crvotočinom.

Ajnštajn i drugi fizičari su verovali da zvezda nikada ne bi prirodnim putem mogla da evoluira u takav monstruozni objekat. Zapravo, Ajnštajn je 1939. objavio rad u kome je pokazao da se kružeća masa gasa i prašine nikada neće zgusnuti u crnu rupu. Dakle, iako iz crne rupe vreba crvotočina, bio je uveren da takav čudan objekat nikada ne bi mogao da se formira prirodno. Astrofizičar Artur Edington jednom reče kako bi trebalo da „postoji zakon koji bi sprečavao zvezde da se ponašaju ovako apsurdno“. Drugim rečima, crna rupa jeste bila legitimno rešenje Ajnštajnovih jednačina, ali nije se znalo ni za jedan mehanizam kojim bi se ona formirala prirodnim putem.

Sve to se izmenilo s radom Roberta Openhajmera i njegovog studenta Hartlanda Snajdera, napisanog iste godine, u kome je pokazano da se crne rupe mogu formirati prirodnim putem. Pretpostavili su da je umiruća zvezda potrošila sve nuklearno gorivo, a potom se urušila pod uticajem gravitacije, implodirajući usled sopstvene težine. Ako bi gravitacija

mogla da komprimuje zvezdu unutar horizonta događaja, ništa poznato nauci ne bi moglo sprečiti gravitaciju da sabije zvezdu u tačkastu crnu rupu. Ova metoda implozije možda je dala Openhajmeru ideju kako da konstruiše bombu bačenu na Nagasaki samo nekoliko godina posle toga. U osnovi mehanizma ove bombe bila je implozija sfere plutonijuma.

Naredni veliki pomak desio se 1963. godine, kada je novozelandski matematičar Roj Ker razmotrio možda najrealističniji primer crne rupe. Objekti se obrću brže kako se smanjuju, poput klizača koji se brže vrte oko svoje ose kada primaknu ruke telu. Zato bi crne rupe trebalo da se obrću fantastičnom brzinom.

Ker je otkrio da crne rupe koje se obrću ne bi kolabirale u tačkastu zvezdu kako je pretpostavio Švarcšild, već u prsten koji se obrće. Svako kome bi sreća toliko okrenula leđa pa dosegne prsten, nestao bi. No, ako bi upao u prsten ne bi umro, već bi prošao kroz njega. Međutim, umesto da završi na drugoj strani prstena, prošao bi kroz Ajnštajn-Rozenov most i našao se u drugom svemiru. Drugim rečima, crna rupa koja se obrće jeste obod Alisinog ogledala.

Ako bi taj neko ponovo propao kroz prsten, stigao bi u treći svemir. Zapravo, kad god prođe kroz rotirajući prsten, našao bi se u drugom paralelnom kosmosu, kao kada pritiskate dugme za vožnju nagore u liftu. U načelu, mogao bi da postoji beskonačan broj kosmosa, poređanih jedan povrh drugog. Ker je napisao: „Prođite kroz magični prsten i – gle čuda – u sasvim ste drugačijem svemiru u kome su poluprečnik i masa negativni!“

Međutim, tu postoji važna začkoljica. Crne rupe su primeri nepovratnih crvotočina: prolazak kroz horizont događaja jednosmerno je putovanje. Kada prođete horizont događaja i Kerov prsten, ne možete se vratiti natrag kroz prsten i preko horizonta događaja.

Ali, godine 1988. Rip Torn i kolege na Kalifornijskom tehnološkom institutu našli su primer povratne crvotočine, odnosno, crvotočine kroz koju se može ići i napred i natrag. Zapravo, u jednom naročitom slučaju, putovanje kroz crvotočinu bilo bi jednostavno poput vožnje avionom.

U normalnim okolnostima gravitacija bi urušila grlo crvotočine, uništavajući astronaute koji pokušavaju da dopru do druge strane. Zato putovanje brzinom većinom od svetlost nije moguće. Ali odbojna sila negativne energije ili negativne mase mogla bi sigurno da drži grlo otvorenim dovoljno dugo da astronauti imaju čist prolaz. Drugim rečima, negativna masa ili energija su presudni i za Alkubijereov pogon i za rešenje za crnu rupu.

U poslednjih nekoliko godina pronađeno je zadivljujuće mnogo tačnih rešenja Ajnštajnovih jednačina po kojima su moguće crvotočine. Ali, postoje li crvotočine i u realnosti, a ne samo u matematici? Nekoliko je krupnih problema sa crvotočinama.

Pre svega, da bi se formirali žestoki poremećaji prostora i vremena neophodni za putovanje kroz crvotočinu, neophodna je ogromna količina pozitivne i negativne materije, reda veličine ogromne zvezde ili crne rupe. Metju Viser, fizičar na Vašingtonskom univerzitetu, procenjuje da je količina negativne energije neophodne da otvorite crnu rupu prečnika jednog metra porediva s masom Jupitera (s tim što bi morala da bude negativna). Viser kaže: „Da bi se to ostvarilo, potrebna je negativna masa jednog Jupitera. I samo manipulisanje pozitivnom masom Jupitera prilično je zastrašujuće, i ne vidimo da ćemo u budućnosti imati kapaciteta za tako nešto.“

Kip Torn s Kalifornijskog tehnološkog instituta zaključuje da će se „pokazati kako po zakonima fizike može postojati dovoljno egzotične materije u crvotočinama ljudske veličine da bi se crvotočina držala otvorenom. Ali takođe će se ispostaviti da tehnologija potrebna da se crvotočine naprave i budu otvorene nezamislivo mnogo prevazilazi kapacitete naše civilizacije.“

Drugo, ne znamo koliko bi ove crvotočine bile stabilne. Zračenje ovih crvotočina moglo bi da ubije svakog ko uđe u njih. Možda crvotočine ne bi uopšte ni bile stabilne i zatvarale bi se čim neko uđe u njih.

Treće, nad svetlosnim zracima koji bi ušli u crnu rupu manifestovao bi se plavi pomeraj, odnosno, dobijali bi sve veću energiju s približavanjem horizontu događaja. Zapravo, na samom horizontu događaja plavi pomeraj svetlosti je, tehnički posmatrano, beskonačan, tako da bi zračenje usled ove upadne energije ubilo svakog u raketi.

Razmotrimo ove probleme detaljnije. Jedan od problema je obezbediti dovoljno energije da se raspara tkanje prostora i vremena. Najjednostavniji način da se to uradi jeste da se objekat komprimuje dok ne postane manji od horizonta događaja. Sunce bi se moralo sabiti do oko dva kilometra u prečniku pa da se uruši u crnu rupu. Sunčeva gravitacija previše je slaba da bi se ova zvezda prirodno komprimovala ispod 3 kilometra, tako da naše Sunce nikada neće postati crna rupa. U principu, to znači da sve može postati crna rupa, čak i vi, ako se dovoljno komprimujete to jest, ako se svi atomi u vašem telu sabiju na manje, subatomske razmere – današnja nauka još uvek nema kapaciteta za to.

Praktičniji pristup bio bi konstrukcija baterije laserskih zraka iz koje bi se ispaljivao intenzivan zrak u specifičnu tačku. Ili proizvodnja ogromnog ciklotrona za generisanje dva zraka koji bi se sudarali i pri tome otpuštali ogromnu energiju, dovoljnu da napravi malu poderotinu u tkanju prostorvremena.

< | 1 | 2 | 3 | 4 | >

Rupe u Ajnštajnovoj teoriji ¦ Plankova energija i akceleratori čestica

Prikaz knjige Fizika nemogućegFizikaNemoguceg-104

Mičio Kaku
Fizika nemogućeg
420 strana
Cena u knjžarama: 1296 dinara
Cena kod izdavača: 990 dinara
Cena preko AM:
strelica_desno 890 dinara
(u cenu su uračunati troškovi pakovanja i isporuke)

sakabd RASPRODATO

Dodaj komentar